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Como todo buen aficionado a la ciencia ficción sabe, los motores de antimateria son ideales para largos viajes interplanetarios, unas pocas decenas de miligramos bastarían para llegar a Marte. Descubramos qué está haciendo la NASA al respecto.



Imagen superior: Una nave espacial propulsada por un reactor positrónico se asemejaría a este concepto artístico de la nave de la Misión de Referencia a Marte. Crédito: NASA

Casi cualquier nave que se precie de las historias de ciencia-ficción utiliza antimateria como combustible por una buena razón: es el más potente que se conoce. Mientras que son necesarias toneladas de combustible químico para propulsar una misión humana a Marte, apenas unas decenas de miligramos de antimateria bastarían (un miligramo es aproximadamente una milésima parte del peso de un Lacasito).

[N. del T.: en la versión original se refieren a los M&M;'s originales]

Sin embargo, en la realidad esta potencia tiene un precio. Algunas reacciones de antimateria producen explosiones de rayos gamma de alta energía. Los rayos gamma son como rayos-X con esteroides. Penetran en la materia y rompen las moléculas de las células, de modo que no es saludable tenerlas alrededor. Los rayos gamma de alta energía también pueden hacer que los motores se vuelvan radioactivos fragmentando átomos del material del motor.

El Instituto de la NASA para Conceptos Avanzados (NASA Institute for Advanced Concepts, NIAC) financia un grupo de investigadores que trabajan en un nuevo diseño de nave espacial propulsada por antimateria que evite estos desagradables efectos secundarios produciendo rayos gamma de energía mucho menor.

Se dice a veces que la antimateria es la imagen especular de la materia ordinaria porque es igual que la materia normal, sólo que algunas propiedades están invertidas. Por ejemplo, los electrones normales, las familiares partículas que trasportan la carga eléctrica en todos los aparatos, desde teléfonos móviles a televisiones de plasma, tienen carga eléctrica negativa. Los anti-electrones tienen carga positiva, así que los científicos los denominaron "positrones".



Imagen superior: turbine + exhaust: turbina y escape, pump: bomba, hot bleed line: tubería de sangrado caliente, from H2 tank: del depósito de H2, positron conduit: conducto positrónico, attenuating matrix: matriz de atenuación, inlet plenum: pleno de entrada, storage unit: unidad de almacenaje.

Un diagrama de un cohete propulsado por un reactor positrónico. Los positrones se dirigen desde la unidad de almacenaje a la matriz de atenuación, donde interaccionan con materia, liberando calor. Hidrógeno líquido (H2) circula por la matriz de atenuación, y absorbe el calor. El hidrógeno fluye entonces hasta la tobera de salida (la zona acampanada de amarillo y azul), donde se expande hacia el espacio, produciendo el empuje. Crédito: Positronics Research, LLC

Cuando la antimateria se encuentra con materia, ambas se aniquilan en un fogonazo de energía. Esta conversión completa a energía es lo que hace a la antimateria tan potente. Incluso las reacciones nucleares que aportan la energía en las bombas atómicas quedan en segundo lugar (y de lejos), convirtiendo en energía únicamente un tres por ciento de su masa.

Los diseños anteriores de naves propulsadas por antimateria empleaban antiprotones, que producen rayos gamma de alta energía al aniquilarse. El nuevo diseño usará positrones, que crean rayos gamma con aproximadamente 400 veces menos energía.

La investigación del NIAC es un estudio preliminar para comprobar si la idea es viable. Si parece prometedora, y hay fondos disponibles para desarrollar la idea con éxito, una nave espacial propulsada por positrones tendría algunas ventajas sobre los planes existentes de misiones humanas a Marte, la denominada Misión de Referencia a Marte.

"La ventaja más significativa es mayor seguridad", dijo el doctor Gerald Smith de Positronics Research, LLC, en Santa Fe, Nuevo México. La Misión de Referencia actual precisa de un reactor nuclear para propulsar la nave hacia Marte. Esto es deseable porque la propulsión nuclear disminuye el tiempo de viaje hasta Marte, aumentando la seguridad de la tripulación al disminuir su exposición a rayos cósmicos. Además, una nave de impulso químico pesa mucho más y su lanzamiento es mucho más caro. El reactor también proporciona energía de sobra para la misión de tres años de duración. Pero los reactores nucleares son complejos, de modo que hay más cosas que podrían, potencialmente, resultar mal en la misión. "Sin embargo, el reactor positrónico ofrece las mismas ventajas, pero es relativamente simple", dijo Smith, investigador principal del estudio del NIAC.

Además, los reactores nucleares son radioactivos incluso después de que su combustible ha sido utilizado. Después de la llegada de la nave a Marte, los planes de la Misión de Referencia consisten en dirigir el reactor hacia una órbita que no se encontrará con la Tierra en al menos un millón de años, cuando la radiación residual se habrá reducido a niveles seguros. Sin embargo, en los reactores positrónicos no permanece ninguna radiación después de la utilización del combustible, de modo que no tendría mayor relevancia que el reactor positrónico agotado reentrase en la atmósfera terrestre accidentalmente, según el equipo.

Su lanzamiento será más seguro también. Si un cohete con un reactor nuclear expotara, podría liberar partículas radioactivas en la atmósfera. "Nuestra nave positrónica provocaría un fogonazo de rayos gamma si explotara, pero los rayos gamma se desvanecerían en un instante. No quedarían partículas radioactivas a la deriva en el viento. El fogonazo quedaría además reducido a una zona relativamente pequeña. La zona de peligro sería de alrededor de un kilómetro (aproximadamente media milla) alrededor de la nave. Un cohete grande normal, propulsado químicamente, tiene una zona de peligro de aproximadamente el mismo tamaño, debido a la gran bola de fuego que resultaría de su explosión", dijo Smith.

Esta es una conceptualización atística de un motor positrónico avanzado, denominado motor ablativo. Este motor produce empuje al erosionar por vaporización (ablación) la materia en la tobera. En la imagen, el motor emite gases de escape blanco-azulados al vaporizar con positrones delgadas capas de material en el interior de diminutas cápsulas rodeadas de plomo. Se proyectan numerosas de estas cápsulas en el interior del compartimento de la tobera cada segundo. Una vez en el compartimento de la tobera se permite que los positrones interaccionen con la cápsula, liberando rayos gamma. El plomo absorbe los rayos gamma e irradia rayos-X, de menor energía, que vaporizan el material de la tobera. Esta complicación es necesaria porque los rayos-X son absorbidos por el material de la tobera de forma más eficiente que los rayos gamma. Crédito: Positronics Research, LLC.

Otra ventaja significativa es la velocidad. La nave de la Misión de Referencia tardaría unos 180 días en llevar a los astronautas a Marte. "Nuestros diseños avanzados, como los conceptos del núcleo gaseoso y el motor ablativo, podrían llevar astronautas a Marte en la mitad de tiempo, y quizá en tan poco como 45 días", dijo Kirby Meyer, un ingeniero de Positronics Research participante en el estudio.

Los motores avanzados logran esto aumentando su temperatura, lo que aumenta su rendimiento o "impulso específico" (Isp). Isp es el opuesto de los "litros a los 100" [N. del T. En el original compara Isp con "miles per gallon", millas por galón, es decir, espacio recorrido por volumen de combustible, justo al contrario que los litros a los 100 Km que solemos usar nosotros]. en el ámbito de los cohetes: cuanto mayor es el Isp, más rápido puedes ir antes de agotar la provisión de combustible. Los mejores cohetes químicos, como el motor principal de la lanzadera espacial de la NASA, alcanzan su máximo en unos 450 segundos. Un reactor nuclear o positrónico puede pasar de los 900 segundos. El motor ablativo, que se vaporiza lentamente a sí mismo para producir el impulso, podría alcanzar hasta 5 000 segundos.

Un reto técnico que se presenta al tratar de hacer realidad una nave positrónica es el coste de producir positrones. Debido a su espectacular efecto sobre la materia normal, no hay mucha antimateria en la naturaleza. En el espacio, se crea en colisiones de partículas de alta velocidad llamadas rayos cósmicos. En la Tierra, tienen que crearse en aceleradores de partículas, inmensas máquinas que hacen chocar átomos entre sí. Estas máquinas se utilizan habitualmente para para descubrir cómo funciona el Universo a un nivel profundo, fundamental, pero se pueden aprovechar como fábricas de antimateria.

"Una estimación grosera del coste de producir los 10 miligramos de positrones necesarios para una misión humana a Marte es de unos 250 millones de dólares usando tecnología que está en desarrollo actualmente", dijo Smith. Este coste puede parecer alto, pero tiene que compararse con el coste extra de lanzar un cohete químico, más pesado (los costes de lanzamiento actuales están alrededor de los 10 000 dólares por libra; unos 22 000 dólares por kilogramo), o el coste de combustible y securización de un reactor nuclear. “Basándonos en la experiencia con tecnología nuclear, parece razonable esperar que el coste de producción de positrones disminuya con más investigación", añadió Smith.

Otro reto es el de almacenar suficientes positrones en un espacio reducido. Puesto que aniquilan la materia normal, no es posible simplemente meterlos en una botella. Más bien, deben ser confinados mediante campos eléctricos y magnéticos. "Confiamos en que con investigación dedicada y un programa de desarrollo estos retos puedan ser logrados", dijo Smith.

De ser así, quizá los primeros humanos que lleguen a Marte lo harán en naves propulsadas por la misma fuente de energía que impulsó naves espaciales a través de los universos de nuestros sueños de ciencia-ficción.

Fuente: Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA, Bill Steigerwald.